多孔板流量測量的實驗研究

1 引言

    在流量測量領域，差壓式流量計占流量計總數(shù)的1/3以上[1]。傳統(tǒng)的標準孔板具有結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造，價格相對低廉等優(yōu)點被廣泛應用。但是，在一些特殊場合中，標準孔板的測量則存在較大誤差。近年來，很多學者對槽式孔板進行了廣泛的研究[2～5]，該孔板既具有傳統(tǒng)標準孔板的優(yōu)良特性，又克服了標準孔板的缺點。但是，由于槽式孔板不容易加工，導致制造工藝成本較高。因此，本文提出了一種新型流量測量元件多孔板的設計，并通過實驗研究了多孔板的流量測量特性。    

    2 多孔板結(jié)構(gòu)簡介

    多孔板由兩圈（或單圈或多圈）系列圓孔組成，小孔沿管道軸心對稱分布，使工質(zhì)通過多孔板后流速均勻分布，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    多孔板結(jié)構(gòu)雖然與標準孔板有所不同，但仍可視為節(jié)流元件。流量計算依舊可采用單相流體通過標準孔板的經(jīng)典計算式[6]，即：    

圖1 多孔板結(jié)構(gòu)示意圖

式中，β為當量孔徑比；A0為小孔流通面積的總和，m2；A為管道流通面積，m2；qv為流體的體積流量，m3·s-1；C為流出系數(shù)；ε為膨脹系數(shù)；Δp為孔板前后壓差，Pa；ρ為被測介質(zhì)密度，kg•m-3。    

    流出系數(shù)的穩(wěn)定性是衡量孔板流量計的重要指標之一，高性能的孔板流量計必須具有穩(wěn)定的流出系數(shù)。因此，研究流出系數(shù)的穩(wěn)定性對提高測量精度有著重要意義[7]。

    3 實驗系統(tǒng)

    實驗為3個多孔板和3個標準孔板。多孔板的小孔直徑均為5mm，厚度為12mm；兩種孔板都取3個不同的β值0.42、0.59、0.65。實驗管道為透明有機玻璃管，內(nèi)徑為30mm；系統(tǒng)所用工質(zhì)為自來水。圖2為實驗系統(tǒng)示意圖。由圖2可見，自來水經(jīng)潛水泵進入實驗管道，通過旁路和主管路閥門調(diào)節(jié)流量。流量從小到大逐漸調(diào)節(jié)，當系統(tǒng)穩(wěn)定后，每隔0.1m3·h-1測量1個流量數(shù)據(jù)。實驗中的采樣頻率為2kHz，采樣時間為3s，取3s內(nèi)的平均值作為測量值。

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖

    所用的流量計為電磁流量計，測量精度為±0.5%；差壓信號由差壓變送器測量，測量精度為±0.1%；所有采樣程序和控制命令均是以LABVIEW7.0版本為平臺開發(fā)的。數(shù)據(jù)采集板為NI公司的NI6023E高速數(shù)據(jù)采集卡，采樣精度為12位。

    4 實驗結(jié)果與分析

    4.1 流出系數(shù)的對比

    圖3給出了3種β值下，C與Re的關系。從圖3可以看出，多孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化全過程可分為非平穩(wěn)區(qū)和平穩(wěn)區(qū)。在雷諾數(shù)較低時，多孔板與標準孔板流出系數(shù)均表現(xiàn)出急劇變化的現(xiàn)象；多孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而迅速增加；而標準孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加迅速減小。對于β為0.42的多孔板，Re>8000時為平穩(wěn)區(qū)；β為0.59時，Re>10000為平穩(wěn)區(qū)；β為0.65時，Re>11000為平穩(wěn)區(qū)。在非平穩(wěn)區(qū)內(nèi)，雷諾數(shù)較小，影響流出系數(shù)的因素較多，平穩(wěn)性及重復性都很差，因此，流出系數(shù)表現(xiàn)出不穩(wěn)定的現(xiàn)象[8]。在平穩(wěn)區(qū)內(nèi)，多孔板流出系數(shù)明顯高于標準孔板，對于β為0.42、0.59、0.65的多孔板流出系數(shù)，分別比相同β標準孔板高出25.6%、25.2%、22.5%。隨著β值的增加，多孔板流出系數(shù)達到穩(wěn)定時的Re也向后推移。在平穩(wěn)區(qū)，2種孔板流出系數(shù)趨于穩(wěn)定，變化范圍很小，但標準孔板的流出系數(shù)有緩慢下降的趨勢，多孔板流出系數(shù)基本上趨于定值。    

圖3 流出系數(shù)與Re的關系

    為了定量比較流出系數(shù)的穩(wěn)定性，引入4個流出系數(shù)的評價指標，分別是標準差（Sp）、線性度（Lc）、流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化率（Kcr）和相對變化范圍（S），分別定義為：

    式中，Ci為第i個實驗點所測量出的流出系數(shù)；n為實驗點的個數(shù)；C為流出系數(shù)平均值。

    以上4個指標的作用是：①SP用來衡量流出系數(shù)相對于平均值的離散程度；②Lc用來描述流出系數(shù)平穩(wěn)性，③Kcr用來反映流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化率；④S用來反映流出系數(shù)不穩(wěn)定性對測量精度的影響。

    孔板流量計一般是工作在平穩(wěn)區(qū)，流出系數(shù)通常取定值，因此，評價平穩(wěn)區(qū)內(nèi)的流出系數(shù)穩(wěn)定性具有實際工程應用價值。

    從表1可以看出，在相同的β值下，多孔板的4種評價指標值均小于標準孔板的值，說明多孔板的流出系數(shù)穩(wěn)定性比標準孔板好。其中，多孔板的SP小于標準孔板的SP，說明多孔板流出系數(shù)相對平均值要比標準孔板集中，分散程度??；多孔板的Lc小于標準孔板的Lc，表明多孔板的流出系數(shù)總體變化范圍小，僅在小范圍內(nèi)波動；多孔板的Kcr小于標準孔板的Kcr，表明雷諾數(shù)對多孔板流出系數(shù)影響較小，即多孔板流出系數(shù)對雷諾數(shù)的變化不敏感；多孔板的S小于標準孔板的S，說明多孔板在測量時因流出系數(shù)波動所產(chǎn)生的偏差小于標準孔板。β為0.42、0.59、0.65的多孔板流出系數(shù)相對變化范圍分別比標準孔板低0.83%、2.02%、1.67%。

    4.2 壓力損失特性

    在管道上加節(jié)流件，不可避免將帶來一定的壓力損失。一般情況下，應盡可能降低不可恢復壓力損失；在特定場合，有壓力損失限制要求，以減少能量消耗[9]。因此，在選擇流量計時，必須考慮節(jié)流件帶來的壓力損失，以及壓力損失所帶來的影響。因此，壓力損失也是衡量孔板流量計的一個重要指標，在相同的測量精度下，即可能選擇壓力損失較小的流量計，以減小管道的能量損失。在實驗過程同時測量了多孔板和標準孔板的壓力損失。將孔板前1D（D為管道直徑）處和孔板后6D處的壓力差作為孔板的壓力損失[7]，使用差壓變送器測量多孔板和標準孔板壓力損失的大小。

    工程實際應用中，常以永久性壓力損失比來衡量孔板壓力損失的大小，永久性壓力損失比K定義為：

      （6）

    式（6）中，Δω為永久壓力損失，Pa。以β為0.42、0.59、0.65的多孔板和標準孔板為實驗對象，實驗結(jié)果見表2。

    在表2中，β為0.42時，多孔板永久性壓力損失與孔板基本相等；β為0.59和0.65時，標準孔板永久性壓力損失略小于多孔板。該表還顯示了永久性壓力損失比隨β值的變化趨勢。

    5 上游旋流對孔板流出系數(shù)的影響

    在ISO5167和GB/T2624中，孔板的適用條件為滿管的亞音速單相流，不適用于脈動、有旋轉(zhuǎn)的流動。雖然在孔板前后均要求有直管段，但實際工況下還是有一定的旋流存在，研究這些旋流對測量精度的影響，具有十分重要的實際工程應用價值[10～12]

    制做一個長為12cm的旋流葉片（圖4）作為旋流器，安裝在管道內(nèi)。安裝在距離孔板上游分別為15D、10D、5D處，研究旋流對孔板的影響大小。實驗結(jié)果見表3。

圖4 旋流葉片

    由表3可以看出，在旋流的影響下，多孔板流出系數(shù)減小，標準孔板流出系數(shù)增大。因此，在有旋流的工況下，用標準孔板測量流量比實際流量偏大，而用多孔板則稍微偏小一些，說明旋流對多孔板和標準孔板的影響是不同的。當β=0.42時，多孔板流出系數(shù)變化率明顯小于標準孔板，表明多孔板的流出系數(shù)對旋流影響不敏感。因此，β較小時多孔板比標準孔板更適合于有旋流動的場合，其抗干擾性能更好些。然而，對于β=0.65的多孔板，其抗擾流性能則不如標準孔板，這說明多孔板的抗旋流能力受β值的制約。

    6 結(jié)論

    （1）多孔板流出系數(shù)比標準孔板更穩(wěn)定。在本實驗范圍內(nèi)，β為0.42、0.59、0.65時，多孔板流出系數(shù)變化幅度比標準孔板分別低0.83%、2.02%、1.67%。

    （2）多孔板永久性壓力損失比與標準孔板相當，永久性壓力損失比隨β值的增大而減小。    

    （3）β較低時（β=0.42），多孔板抗旋流能力優(yōu)于標準孔板，β較高時（β=0.65），情況剛好相反。在有旋流存在時，多孔板流出系數(shù)會減小，測量的流量值偏大；而標準孔板流出系數(shù)會增大，流量值偏小。

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